JP6474014B1 - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
n型の導電型の第1不純物領域を有する半導体基板と、
前記第1不純物領域に電気的に接続され、光を電荷に変換する光電変換部と、
第1端子および第2端子を有し、前記第1端子が前記第1不純物領域に電気的に接続された容量素子と、
前記第2端子に電気的に接続された電圧供給回路と
を備え、
前記電圧供給回路は、互いに異なる第1の電圧および第2の電圧を前記第2端子に供給し、
前記第1不純物領域は、前記光電変換部で生じた電荷のうち正電荷を蓄積する、撮像装置。
前記第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタをさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記第1トランジスタがオンである第1期間に前記第1電圧を前記第2端子に供給し、前記第1期間の後かつ前記第1トランジスタがオフである第2期間に前記第2電圧を前記第2端子に供給する、項目1に記載の撮像装置。
前記第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタをさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記正電荷を前記第1不純物領域に蓄積する第1期間に前記第1電圧を前記第2端子に供給し、前記第1期間の後かつ前記第1トランジスタがオンである第2期間に前記第2電圧を前記第2端子に供給する、項目1に記載の撮像装置。
前記半導体基板は、第2不純物領域を有し、
前記第1トランジスタは、前記第2不純物領域をソースおよびドレインの他方として含み、
前記第1端子は、前記第2不純物領域に接続されている、項目2または3に記載の撮像装置。
前記第2電圧は、前記第1電圧よりも高い、項目2から4のいずれか一項に記載の撮像装置。
p型の導電型の第1不純物領域を有する半導体基板と、
前記第1不純物領域に電気的に接続され、光を電荷に変換する光電変換部と、
第1端子および第2端子を有し、前記第1端子が前記第1不純物領域に電気的に接続された容量素子と、
前記第2端子に電気的に接続された電圧供給回路と
を備え、
前記電圧供給回路は、互いに異なる第1の電圧および第2の電圧を前記第2端子に供給し、
前記第1不純物領域は、前記光電変換部で生じた電荷のうち負電荷を蓄積する、撮像装置。
前記第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタをさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記第1トランジスタがオンである第1期間に前記第1電圧を前記第2端子に供給し、前記第1期間の後かつ前記第1トランジスタがオフである第2期間に前記第2電圧を前記第2端子に供給する、項目6に記載の撮像装置。
前記第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタをさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記負電荷を前記第1不純物領域に蓄積する第1期間に前記第1電圧を前記第2端子に供給し、前記第1期間の後かつ前記第1トランジスタがオンである第2期間に前記第2電圧を前記第2端子に供給する、項目6に記載の撮像装置。
前記半導体基板は、第2不純物領域を有し、
前記第1トランジスタは、前記第2不純物領域をソースおよびドレインの他方として含み、
前記第1端子は、前記第2不純物領域に接続されている、項目7または8に記載の撮像装置。
前記第2電圧は、前記第1電圧よりも低い、項目7から9のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記容量素子および前記第1不純物領域は、前記光電変換部で生じた電荷のうち一方の極性の電荷を蓄積する電荷蓄積ノードの少なくとも一部であり、
前記容量素子の容量値は、前記電荷蓄積ノードのうち前記容量素子以外の部分の容量値よりも小さい、項目1から10のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記光電変換部は、
第1電極と、
前記第1電極に対向する第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に位置する光電変換層と
を有し、
前記第1電極は、前記第1不純物領域に電気的に接続されている、項目1から11のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記光電変換部は、埋め込みフォトダイオードである、項目1から4および6から9のいずれか一項に記載の撮像装置。
第1不純物領域および第2不純物領域を有する半導体基板と、
第1不純物領域に電気的に接続された光電変換部と、
第1不純物領域をソース領域およびドレイン領域の一方として含み、第2不純物領域をソース領域およびドレイン領域の他方として含む第1トランジスタと、
第2不純物領域に電気的に接続された電圧供給回路と
を備え、
電圧供給回路は、第1トランジスタがオンである第1期間に第1電圧を第2不純物領域に印加し、第1期間の後かつ第1トランジスタがオフである第2期間に第1電圧とは異なる第2電圧を第2不純物領域に印加する、撮像装置。
第2不純物領域と電圧供給回路との間に接続された容量素子をさらに備える、項目1に記載の撮像装置。
ソース領域およびドレイン領域の一方が第2不純物領域に電気的に接続された第2トランジスタをさらに備える、項目2に記載の撮像装置。
ソース領域およびドレイン領域の一方が第2不純物領域に電気的に接続された第2トランジスタをさらに備え、
電圧供給回路は、第2トランジスタのソース領域およびドレイン領域の他方に接続されている、項目1に記載の撮像装置。
第2期間は、第2トランジスタがオンである期間のうち、第1期間を除く期間である、項目3または4に記載の撮像装置。
第2期間は、第2トランジスタがオンからオフに切り替えられた時点から開始する、項目3または4に記載の撮像装置。
第1不純物領域を有する半導体基板と、
第1不純物領域に電気的に接続された光電変換部と、
第1不純物領域をソース領域およびドレイン領域の一方として含み、第1不純物領域へのリセット電圧の供給および遮断を切り替える第1トランジスタと、
第1不純物領域に電気的に接続された電圧供給回路と
を備え、
電圧供給回路は、第1トランジスタがオンである第1期間に第1電圧を第1不純物領域に印加し、第1期間に続く、第1トランジスタがオフとされた第2期間に第1電圧とは異なる第2電圧を第1不純物領域に印加する、撮像装置。
第1不純物領域と電圧供給回路との間に接続された容量素子をさらに備える、項目7に記載の撮像装置。
ソース領域およびドレイン領域の一方が第1トランジスタのソース領域およびドレイン領域の他方に電気的に接続された第2トランジスタをさらに備え、
電圧供給回路は、第1トランジスタを介して第1不純物領域に接続されている、項目7または8に記載の撮像装置。
第2トランジスタを含み、光電変換部で発生した電気信号を負帰還させるフィードバック回路をさらに備える、項目3、4、5、6または9に記載の撮像装置。
第1トランジスタは、n型であり、
第2電圧は、第1電圧よりも高い、項目1から10のいずれかに記載の撮像装置。
第1トランジスタは、p型であり、
第2電圧は、第1電圧よりも低い、項目1から10のいずれかに記載の撮像装置。
第1不純物領域を有する半導体基板と、
第1不純物領域に電気的に接続された光電変換部と、
第1不純物領域をソース領域およびドレイン領域の一方として含み、第1不純物領域へのリセット電圧の供給および遮断を切り替えるリセットトランジスタと、
リセットトランジスタのゲートに接続された駆動回路と
を備え、
駆動回路は、リセットトランジスタがオンとなる第1電圧、リセットトランジスタがオフとなる第2電圧、および、第1電圧と第2電圧の間の第3電圧をゲートに順次に印加することにより、第1不純物領域の電位のリセットを実行する、撮像装置。
リセットトランジスタは、n型であり、
第3電圧は、第1電圧よりも低く第2電圧よりも高い、項目13に記載の撮像装置。
第3電圧は、駆動回路からゲートに第3電圧が印加されている状態において、第1不純物領域の電位が半導体基板の基板電位よりも高くなる電圧である、項目13または14に記載の撮像装置。
リセットトランジスタは、p型であり、
第3電圧は、第1電圧よりも高く第2電圧よりも低い、項目13に記載の撮像装置。
第3電圧は、駆動回路からゲートに第3電圧が印加されている状態において、第1不純物領域の電位が半導体基板の基板電位よりも低くなる電圧である、項目13または16に記載の撮像装置。
光電変換部と、光電変換部に電気的に接続された電荷蓄積ノードと、電荷蓄積ノードに蓄積された信号電荷を検出する検出回路と、信号電荷を排出するリセットトランジスタとを備える撮像装置の駆動方法であって、
リセットトランジスタのゲートに、リセットトランジスタがオンとなる第1電圧、リセットトランジスタがオフとなる第2電圧、および、第1電圧と第2電圧の間の第3電圧を順次に印加することにより、電荷蓄積ノードの電位のリセットを実行する、撮像装置の駆動方法。
電荷蓄積ノードは、半導体基板に形成されたn型の第1不純物領域を含み、
第3電圧は、第1電圧よりも低く第2電圧よりも高い、項目18に記載の撮像装置。
電荷蓄積ノードの電位が半導体基板の基板電位よりも低くなる電圧を第2電圧として印加する、項目19に記載の撮像装置の駆動方法。
電荷蓄積ノードは、半導体基板に形成されたp型の第1不純物領域を含み、
第3電圧は、第1電圧よりも高く第2電圧よりも低い、項目18に記載の撮像装置。
電荷蓄積ノードの電位が半導体基板の基板電位よりも高くなる電圧を第2電圧として印加する、項目21に記載の撮像装置の駆動方法。
光電変換部は、
半導体基板に支持された第1電極と、
第2電極と、
第1電極および第2電極の間に位置する光電変換層と
をさらに含み、
第1電極は、第1不純物領域に電気的に接続されている、項目1から17のいずれか、または、項目19から22のいずれかに記載の撮像装置。
光電変換部は、埋め込みフォトダイオードである、項目1から23のいずれかに記載の撮像装置。
複数の画素を備える撮像装置であって、
複数の画素のそれぞれの画素は、
光電変換により電荷を生成する光電変換部と、
電荷を蓄積する電荷蓄積ノードと、
電荷蓄積ノードに電気的に接続され、電荷蓄積ノードの電位を基準電位にリセットするリセットトランジスタと、
電荷蓄積ノードに電気的に接続され、電荷蓄積ノードに蓄積された電荷に応じた信号電圧を出力する増幅トランジスタと、
一端が電荷蓄積ノードに電気的に接続され、他端が電圧源に接続される容量素子と、
を備え、
電荷を電荷蓄積ノードに蓄積する露光期間において、容量素子の他端には第1電圧が印加され、露光期間以外の非露光期間中のリセット期間において、他端には第1電圧とは異なる第2電圧が印加され、
リセット期間は、非露光期間の一部であり、リセットトランジスタが電荷蓄積ノードの電位を基準電位にリセットする期間である、撮像装置。
非露光期間の全体において、容量素子の他端に第2電圧が印加される、項目25に記載の撮像装置。
容量素子は、増幅トランジスタのゲートに電気的に接続される、項目25または26に記載の撮像装置。
増幅トランジスタに電気的に接続され、信号電圧を選択的に出力する選択トランジスタをさらに備え、
選択トランジスタの制御信号が、容量素子の他端に接続される、項目26または27に記載の撮像装置。
容量素子の一端と電荷蓄積ノードとの間、または、電圧源と他端との間に電気的に接続され、容量素子および電荷蓄積ノードの接続・非接続を切替えるスイッチトランジスタをさらに備える、項目26または27に記載の撮像装置。
電荷は、正孔であり、
第2電圧は第1電圧よりも高い、項目25から29のいずれかに記載の撮像装置。
リセットトランジスタおよび増幅トランジスタはN型トランジスタである、項目30に記載の撮像装置。
電荷は、電子であり、
第2電圧は第1電圧よりも低い、項目25から29のいずれかに記載の撮像装置。
リセットトランジスタおよび増幅トランジスタはP型トランジスタである、項目32に記載の撮像装置。
第1電圧はグランド電圧である、項目30に記載の撮像装置。
第2電圧はグランド電圧である、項目30に記載の撮像装置。
増幅トランジスタは、デプレッション型のトランジスタである、項目25から35のいずれかに記載の撮像装置。
光電変換部は、
第1電極と、
第1電極に対向する第2電極と、
第1電極と第2電極との間に位置し、光電変換によって電荷を発生させる光電変換膜と、
を有する、項目25から36のいずれかに記載の撮像装置。
図1は、本開示の第1の実施形態による撮像装置の例示的な構成を模式的に示す。図1に示す撮像装置100は、複数の画素10を含む画素アレイ110と、周辺回路120とを有する。
図2は、画素10の例示的なデバイス構造の断面を模式的に示す。図2は、画素10における各部の形状、寸法および配置をあくまで模式的に示し、図2中に示される各部の形状、寸法および配置は、必ずしも現実のデバイスにおける形状、寸法および配置を反映しない。本開示の他の図面についても同様である。
上述したように、不純物領域60aは、光電変換部50Aによって生成された信号電荷を一時的に蓄積する電荷蓄積ノードの一部を構成する。これは、不純物領域60aと第2p型半導体層62pとの間のpn接合によって形成される接合容量が、信号電荷の少なくとも一部を蓄積する容量として機能するからである。
次に、図4Aを参照して、撮像装置100の動作の一例を説明する。図4Aは、図3に示す回路構成を有する画素10Aの例示的な動作を説明するためのタイミングチャートである。図4A中、一番上のチャートは、水平同期信号HDのパルスを示す。あるパルスの立ち上がりから次のパルスの立ち上がりまでの期間が、1つの水平走査期間である1Hに対応する。この1H期間に、画素アレイ110に含まれる複数の画素10Aのうち、ある1つの行に属する画素10Aのリセットおよび画素10Aからの信号の読み出しが実行される。図4A中の両矢印SELは、注目した画素のアドレストランジスタ74がオンとされた選択期間を示し、矢印ACCは、アドレストランジスタ74がオフとされた非選択期間を示す。
本開示の実施形態による撮像装置の動作の例は、図4Aおよび図4Bを参照して説明した例に限られない。例えば、以下に説明するように、信号電荷を電荷蓄積ノードに蓄積する露光期間と、1フレーム期間のうち露光期間以外の非露光期間中のリセットのための期間との間で、制御線81に供給する電圧を互いに異なる電圧としてもよい。
このときのノードFDaの電位が、電荷蓄積ノードに蓄積された信号電荷に応じた電圧レベルを表現する第1の信号として信号検出トランジスタ72およびアドレストランジスタ74を介して垂直信号線89に読み出される。
本開示の撮像装置100は、積層型の撮像装置に限られない。図5は、画素10の他の回路構成の例を模式的に示す。図3を参照して説明した画素10Aと比較して、図5に示す画素10Apは、光電変換部50Aに代えて、光電変換部50Bを有する。光電変換部50Bは、例えば半導体基板60に形成された埋め込みフォトダイオードである。
図12は、本開示の第2の実施形態による撮像装置が有する画素10Bの回路構成の一例を模式的に示す。図3に示す画素10Aと同様に、図12に示す画素10Bは、上述の画素10の一例である。図12に示す画素10Bと、図3を参照して説明した画素10Aとの間の主な相違点は、画素10Bが、リセットトランジスタ76のソースおよびドレインのうちノードFDaに接続されていない側に接続されたトランジスタ78をさらに有している点である。また、電圧供給回路128が、リセットトランジスタ76およびトランジスタ78の間のノードRDに電気的に接続されている点である。この例では、電圧供給回路128は、リセットトランジスタ76を介して不純物領域60aに電気的に接続される。
図15は、本開示の第2の実施形態による撮像装置の変形例を示す。図15に示す画素10Bpは、図12に示す画素10Bの光電変換部50Aを光電変換部50Bに置き換えた回路構成を有する。
図17Aは、図16に示す回路構成を有する画素10Brの例示的な動作を説明するためのタイミングチャートである。図14Aを参照して説明した動作例と比較して、図17Aに示す動作例は、制御線81に印加する電圧を第1電圧VAおよび第2電圧VBの間で切り替えるタイミングが異なっている。
図19Aおよび図19Bは、本開示の第3の実施形態による撮像装置が有する画素の回路構成の一例を模式的に示す。図19Aに示す撮像装置140は、画素10Dを有する。図3を参照して説明した回路構成と同様に、画素10Dは、信号検出トランジスタ72、アドレストランジスタ74およびリセットトランジスタ76の3つのトランジスタを画素10D内に有する。図19Bに示す画素10Dpは、図19Aに示す画素10Dの光電変換部50Aを光電変換部50Bに置き換えた回路構成を有する。
時刻T4においてアドレス信号ΦselをローレベルのΦLにすることにより、ノードFDaの電位は、上記の式(2)で表されるΔVFDだけ低下する。このように、アドレス信号Φselを用いて電荷蓄積ノードの電位を制御することも可能であり、図20に示すように、例えば、アドレス信号ΦselをローレベルのΦLに戻したときのノードFDaの電位をリセット電圧Vrよりも低い電位V1fに設定することができる。なお、行選択時かつリセット実行後の不純物領域60aの電位VFDは、リセット電圧Vrに持ち上げられた状態であるので、信号検出トランジスタ72の後段回路において動作可能な電圧範囲で正常に第2の信号の読み出しを実行することが可能である。
図21は、本開示の第4の実施形態による撮像装置が有する画素の回路構成の一例を模式的に示す。図21に示す撮像装置150は、画素10Cを有する。図3を参照して説明した回路構成と同様に、画素10Cは、信号検出トランジスタ72、アドレストランジスタ74およびリセットトランジスタ76の3つのトランジスタを画素10C内に有する。これら信号検出トランジスタ72、アドレストランジスタ74およびリセットトランジスタ76の3つのトランジスタは、光電変換部50Aに電気的に接続されたノードFDaに蓄積される信号電荷を検出する検出回路95を構成する。ただし、図3に示す画素10Aと比較して、図21に示す画素10CのノードFDaには、電圧供給回路128は接続されていない。画素10Cは、層間絶縁層40内に制御線81が配置されないこと以外は、図2を参照して説明したデバイス構造と同様のデバイス構造を有し得る。
図22Aは、図21に示す回路構成を有する画素10Cの例示的な動作を説明するためのタイミングチャートである。
図23は、本開示の第4の実施形態による撮像装置の変形例を示す。図23に示す画素10Cpは、図21に示す画素10Cの光電変換部50Aを光電変換部50Bに置き換えた回路構成を有する。
図24は、本開示の第5の実施形態によるカメラシステムの機能ブロックを模式的に示す。図24に示すカメラシステム200は、光学系201と、撮像装置100と、信号処理回路203と、システムコントローラ204と、表示装置205とを有する。カメラシステム200は、例えばスマートフォン、デジタルカメラおよびビデオカメラなどであり得る。
10Bf、10Br、10Bp、10Bq 画素
10C、10Cp、10D、10Dp 画素
42 接続部
50A、50B 光電変換部
52 画素電極
54 光電変換層
56 対向電極
60 半導体基板
60S 支持基板
60a〜60e 不純物領域
61p 第1p型半導体層
62p 第2p型半導体層
71 トランジスタ
72、72d 信号検出トランジスタ
72e 信号検出トランジスタのゲート電極
73 負荷トランジスタ
74 アドレストランジスタ
76 リセットトランジスタ
78 トランジスタ
79 転送トランジスタ
81 制御線
84 アドレス信号線
86 リセット信号線
88 信号線
89 垂直信号線
90、90x フィードバック回路
94 電流源
95 検出回路
100、140、150 撮像装置
110 画素アレイ
120 周辺回路
122 垂直走査回路
128 電圧供給回路
200 カメラシステム
C1〜C3 容量素子
Claims (13)
- n型の導電型の第1不純物領域を有する半導体基板と、
前記第1不純物領域に電気的に接続され、光を電荷に変換する光電変換部と、
第1端子および第2端子を有し、前記第1端子が前記第1不純物領域に電気的に接続された容量素子と、
前記第2端子に電気的に接続された電圧供給回路と
を備え、
前記電圧供給回路は、互いに異なる第1電圧および第2電圧を前記第2端子に供給し、
前記第1不純物領域は、前記光電変換部で生じた電荷のうち正電荷を蓄積する、撮像装置。 - 前記第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタをさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記第1トランジスタがオンである第1期間に前記第1電圧を前記第2端子に供給し、前記第1期間の後かつ前記第1トランジスタがオフである第2期間に前記第2電圧を前記第2端子に供給する、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタをさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記正電荷を前記第1不純物領域に蓄積する第1期間に前記第1電圧を前記第2端子に供給し、前記第1期間の後かつ前記第1トランジスタがオンである第2期間に前記第2電圧を前記第2端子に供給する、請求項1に記載の撮像装置。 - 前記半導体基板は、第2不純物領域を有し、
前記第1トランジスタは、前記第2不純物領域をソースおよびドレインの他方として含み、
前記第1端子は、前記第2不純物領域に接続されている、請求項2または3に記載の撮像装置。 - 前記第2電圧は、前記第1電圧よりも高い、請求項2から4のいずれか一項に記載の撮像装置。
- p型の導電型の第1不純物領域を有する半導体基板と、
前記第1不純物領域に電気的に接続され、光を電荷に変換する光電変換部と、
第1端子および第2端子を有し、前記第1端子が前記第1不純物領域に電気的に接続された容量素子と、
前記第2端子に電気的に接続された電圧供給回路と
を備え、
前記電圧供給回路は、互いに異なる第1電圧および第2電圧を前記第2端子に供給し、
前記第1不純物領域は、前記光電変換部で生じた電荷のうち負電荷を蓄積する、撮像装置。 - 前記第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタをさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記第1トランジスタがオンである第1期間に前記第1電圧を前記第2端子に供給し、前記第1期間の後かつ前記第1トランジスタがオフである第2期間に前記第2電圧を前記第2端子に供給する、請求項6に記載の撮像装置。 - 前記第1不純物領域をソースおよびドレインの一方として含む第1トランジスタをさらに備え、
前記電圧供給回路は、前記負電荷を前記第1不純物領域に蓄積する第1期間に前記第1電圧を前記第2端子に供給し、前記第1期間の後かつ前記第1トランジスタがオンである第2期間に前記第2電圧を前記第2端子に供給する、請求項6に記載の撮像装置。 - 前記半導体基板は、第2不純物領域を有し、
前記第1トランジスタは、前記第2不純物領域をソースおよびドレインの他方として含み、
前記第1端子は、前記第2不純物領域に接続されている、請求項7または8に記載の撮像装置。 - 前記第2電圧は、前記第1電圧よりも低い、請求項7から9のいずれか一項に記載の撮像装置。
- 前記容量素子および前記第1不純物領域は、前記光電変換部で生じた電荷のうち一方の極性の電荷を蓄積する電荷蓄積ノードの少なくとも一部であり、
前記容量素子の容量値は、前記電荷蓄積ノードのうち前記容量素子以外の部分の容量値よりも小さい、請求項1から10のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記光電変換部は、
第1電極と、
前記第1電極に対向する第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に位置する光電変換層と
を有し、
前記第1電極は、前記第1不純物領域に電気的に接続されている、
請求項1から11のいずれか一項に記載の撮像装置。 - 前記光電変換部は、埋め込みフォトダイオードである、請求項1から4および6から9のいずれか一項に記載の撮像装置。
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